Способ измерения электрической емкости

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке приборов, предназначенных для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.). Способ измерения электрической емкости заключается в регистрации времени заряда измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор постоянного напряжения до момента достижения на измеряемом конденсаторе заранее принятого порогового значения напряжения. При этом после подключения последовательно к измеряемому конденсатору образцового конденсатора с известной емкостью снова измеряют время заряда этих конденсаторов, не меняя при этом значения сопротивления резистора, напряжения зарядного источника и заранее принятого порогового значения напряжения на обкладках этих конденсаторов, и измеряемую емкость вычисляют по формуле

где CO - емкость образцового конденсатора;

t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью CX до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках;

t2 - время заряда цепи из последовательно соединенных конденсаторов CX и CO до заранее принятого порогового значения напряжения на их обкладках. Техническим результатом является повышение точности измерения электрической емкости. 3 ил., 1 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке приборов, предназначенных для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.).

Уровень техники

Известно много способов измерения электрической емкости, среди которых можно отметить:

- способы, использующие резонансные свойства колебательного контура, содержащего катушку индуктивности и конденсатор с измеряемой емкостью CX (Полулях К.С. Резонансные методы измерений. - М.: Энергия, 1980. - 120 с.);

- способы измерения параметров RC-генератора, содержащего во времязадающей цепи измеряемый конденсатор CX (Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012. - 624 с.);

- мостовые методы, основанные на сравнении измеряемой емкости с образцовой (Шарапов В.М. Емкостные датчики. В.М. Шарапов, И.Г. Минаев и др. Под ред. В.М. Шарапова. - Черкассы: Брама-Украина, 2010. - 152 с.).

Недостаток перечисленных способов заключается в необходимости использования и обработки высокочастотных сигналов, что усложняет их техническую реализацию.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым авторами за прототип является известный способ измерения электрической емкости на постоянном токе, основанный на измерении параметров переходного процесса в пассивном линейном четырехполюснике, содержащем конденсатор с измеряемой емкостью CX и активное сопротивление R в цепи его зарядки от источника постоянного тока с напряжением E. (Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012. - С. 165-166).

Известно, что переходная характеристика такого четырехполюсника, т.е. его реакция на ступенчатый входной сигнал E, графически представленная изменением напряжения U(t) на конденсаторе, имеет вид экспоненты

где U(t) - мгновенное значение напряжения на конденсаторе с измеряемой емкостью CX; t - время отсчета с момента поступления ступенчатого сигнала; T - постоянная времени: Т=R⋅CX.

Известный способ измерения емкости основан на измерении мгновенного значения напряжения U(t) в соответствующий момент времени t, что позволяет, используя свойства экспоненты, определить постоянную времени T и по ней значение измеряемой емкости

Измерение емкости указанным способом сопряжено с необходимостью стабилизации значений E и R, т.к. их изменение под действием внешних факторов и старения приводит к появлению дополнительной погрешности измерения.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого способа измерения электрической емкости, направлен на устранение влияния изменения напряжения E источника постоянного тока, сопротивления R резистора в цепи заряда конденсатора с измеряемой емкостью CX на результат измерения, т.е. на повышение точности измерения электрической емкости.

Технический результат достигается тем, что на измеряемый конденсатор CX через резистор R подают постоянное напряжение E и измеряют время t1 заряда этого конденсатора с момента подачи E до момента достижения на конденсаторе заранее принятого порогового значения U0; затем отключают источник постоянного напряжения E, разряжают конденсатор CX, подключают последовательно с ним образцовый конденсатор емкостью CO, снова подают через тот же резистор R постоянное напряжение E и измеряют время t2 заряда этих конденсаторов до того же порогового значения U0, после чего рассчитывают измеряемую емкость CX по формуле

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого способа измерения емкости. На фиг. 2 - переходные характеристики, показывающие изменение мгновенных значений напряжений U1(t) и U2(t). На фиг. 3 - схема установки для осуществления экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого способа измерения электрической емкости.

Осуществление изобретения

Предлагаемый способ опирается на следующие предпосылки.

С помощью ключа K1 (фиг. 1) через резистор R в момент времени t=0 подают постоянное напряжение E на конденсатор CX. Ключ K2 при этом замкнут. Напряжение U1(t) на конденсаторе CX, контролируемое измерителем 1, начинает нарастать по экспоненте (фиг. 2)

с постоянной времени T1=R⋅CX.

Как только U1(t) достигнет заранее принятое пороговое значение U0, фиксируют момент времени t1. Отключают с помощью ключа K1 источник постоянного напряжения E. С помощью ключа K3 разряжают конденсатор с измеряемой емкостью CX и, размыкая ключ K2, присоединяют последовательно с конденсатором CX образцовый конденсатор с известной емкостью CO. С помощью ключа K1 снова подают в момент времени t=0 через резистор R постоянное напряжение E на последовательно соединенные конденсаторы CX и CO.

Напряжение U2(t) на участке цепи из последовательно соединенных конденсаторов CX и CO начинает нарастать по более крутой экспоненте с постоянной времени

:

Как только U2(t) достигнет заранее принятое пороговое значение U0, фиксируют момент времени t2. Так как моменты времени t1 и t2 фиксируют при достижении мгновенными значениями напряжений U1(t) и U2(t) одного и того же уровня U0, то можно записать:

С учетом (4) и (5) это условие (6) можно записать:

Из (7) следует, что , т.е. t1T2=t2T1 или

Решая (8) относительно неизвестного значения CX, получаем формулу для его расчета (3).

При выводе этой расчетной формулы (3) в выражении (7) в левой и правой части равенства произвели сокращение на E, а в выражении (8) - сокращение на R. Такие математические действия с равенствами (7) и (8) возможны в предположении, что за короткое время, необходимое для проведения измерения t1 и t2, эти параметры, т.е. Е и R, остаются неизменными.

Поэтому значения E и R не вошли в расчетную формулу (3), что устраняет возможность появления дополнительной погрешности в случае изменения этих параметров.

Также в расчетную формулу (3) не вошло и значение U0, определяющее моменты t1 и t2.

Следовательно, предлагаемый способ устраняет влияние изменения напряжения источника питания E, сопротивления R в цепи заряда измеряемой емкости и порогового значения напряжения U0, определяющего моменты фиксации t1 и t2.

Кроме того, если при измерении t1 и t2 имела место мультипликативная составляющая систематической инструментальной погрешности, то она также не повлияет на результат измерения емкости по предлагаемому способу, т.к. войдет сомножителем в числитель и знаменатель расчетной формулы (3).

Если предлагаемый способ будет реализован на базе микроконтроллера, то интервал времени, необходимый для его осуществления, т.е. для измерения t1 и t2 и расчета CX по (3), будет составлять доли секунды, что позволяет рассчитывать на постоянство E, R и U0 в столь короткий интервал.

Необходимо отметить, что последовательность измерения t1 и t2 не влияет на результат расчета по формуле (3). Можно сначала с помощью ключа K2 соединить последовательно CO и CX, подать ключом K1 постоянное напряжение E через резистор R на эти конденсаторы и при достижении U2(t) порогового значения UO зафиксировать t2; отключить E; ключом K3 разрядить конденсаторы CO и CX; ключом K3 отсоединить CO от CX; подать E на CX; при достижении U1(t) порогового значения UO зафиксировать t1 и по формуле (3) определить значение измеряемой емкости CX.

Заранее принятое пороговое значение UO, как и в известном способе, основанном на измерении параметров переходного процесса, должно быть меньше значения E и его обычно выбирают в пределах (0,3-0,7)E.

Значение CO с целью повышения чувствительности предлагаемого способа, исходя из общеизвестных положений метрологии, следует брать соизмеримым с предполагаемым значением измеряемой емкости CX, что обеспечивает измерения как t1, так и t2 в равноточных условиях. Исходя из этого можно рекомендовать CO=(0,1…10)CX.

Измерение интервалов времени t1 и t2 возможно с применением любых известных средств как в цифровом, так и аналоговом исполнении, имеющих порог чувствительности, позволяющий проводить измерение емкости в соответствующих пределах. Чем выше чувствительность, тем меньше значение CX, доступное для измерения предлагаемым способом.

Проверка работоспособности предлагаемого способа проводилась на установке (фиг. 3), в которой измеритель напряжения 1 выполнен на базе аналогового компаратора на операционном усилителе, например, типа К554СА3. В качестве измерителя времени установлен электронный цифровой секундомер 2, например, типа СИ8 ОВЕН, с чувствительностью 10 мс, имеющий два входа: один вход 3 для запуска высоким напряжением; другой вход 4 для остановки счета в случае поступления низкого напряжения (менее 0,8 B для этого секундомера).

Такой порог чувствительности позволяет проводить измерения электрической емкости примерно от 0,5 мкФ и выше в сторону увеличения.

При измерении t1 и t2 при срабатывании ключа К1 (фиг. 3) высокое напряжение от источника E поступает на вход 3 секундомера 2, запуская его в работу. Компаратор 1 включен по схеме инвертора, т.к. опорное напряжение UO подается на неинвертирующий вход компаратора, а измеряемое напряжение U1(t) (или U2(t)) поступает на инвертирующий вход компаратора. До тех пор, пока U1(t)<UO (или U2(t)<0) на выходе компаратора высокое напряжение, что обеспечивает работу секундомера. Как только U1(t) (или U2(t)) станет равным UO, на выходе компаратора напряжение станет низким, что остановит работу секундомера и позволит снять его показания.

Как видно из представленной таблицы изменение UO с 5 B до 7,5 B (опыты №1 и №2), изменение E с 10 B до 20 B (опыты №2 и №3), изменение R с 102 кОм до 152 кОм практически не повлияли на точность измерения, и относительная погрешность измерения электрической емкости с использованием предложенного способа не превысила 2%.

Предлагаемый способ измерения емкости по сравнению с прототипом и другими известными способами обладает следующими преимуществами:

- устраняет влияние дестабилизирующих факторов, таких как изменение напряжения питания, изменение сопротивления в цепи зарядки конденсатора и изменение значения напряжения срабатывания измерителя временных интервалов, на точность измерения;

- доступность технической реализации на базе общедоступных микроконтроллеров, автоматически выполняющих все необходимые операции по измерению емкости.

Способ измерения электрической емкости, основанный на регистрации времени заряда измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор постоянного напряжения до момента достижения на измеряемом конденсаторе заранее принятого порогового значения напряжения, отличающийся тем, что после подключения последовательно к измеряемому конденсатору образцового конденсатора с известной емкостью снова измеряют время заряда этих конденсаторов, не меняя при этом значения сопротивления резистора, напряжения зарядного источника и заранее принятого порогового значения напряжения на обкладках этих конденсаторов, и измеряемую емкость вычисляют по формуле

где CO - емкость образцового конденсатора;

t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью CX до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках;

t2 - время заряда цепи из последовательно соединенных конденсаторов CX и CO до заранее принятого порогового значения напряжения на их обкладках.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к промышленной электронике, аналого-цифровой технике и схемотехнике. Технический результат заключается в уменьшении погрешности дифференцирования от конечного значения коэффициента.

Изобретение относится к способу и устройству для реализации сенсорной кнопки и идентификации отпечатка пальца, а также к терминальному устройству, которые используются для объединения сенсорной кнопки с идентификацией отпечатка пальца.

Изобретение относится к способу и устройству для реализации сенсорной кнопки и идентификации отпечатка пальца, а также к терминальному устройству, которые используются для объединения сенсорной кнопки с идентификацией отпечатка пальца.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения физических параметров материала, в том числе при экстремальных температурах и давлениях, например, устройство может быть применено для контроля сухости пара пароводяной среды.

Изобретение относится к многослойным самолетным или аэрокосмическим иллюминаторам и касается прозрачного изделия с датчиком влаги. Включает в себя один или более датчиков влаги мониторинга проникновения влаги, чтобы контролировать эксплуатационные показатели влагостойкого барьера.

Изобретение способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов относится к технике измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов.

Изобретение относится к электросвязи и электротехнике, где осуществляется передача электромагнитных колебаний по электрической цепи, прямым проводом которой является металлический проводник, а обратным - металлический проводник или проводящая среда.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения диэлектрической проницаемости металла в терагерцовом диапазоне спектра. Способ включает в себя возбуждение зондирующим пучком поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) на плоской поверхности металлического образца, измерение длины распространения ПЭВ и определение ее фазовой скорости, расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по означенным ее характеристикам и определение диэлектрической проницаемости металла путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца.

Использование: для контроля потоков неоднородных диэлектрических веществ. Сущность изобретения заключатся в том, что устройство для измерения физических свойств вещества в потоке содержит на измерительном участке волноводный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого вдоль его продольной оси пропущен диэлектрический трубопровод с контролируемым диэлектрическим веществом, подсоединенные к данному резонатору с помощью элементов связи генератор электромагнитных колебаний и электронный блок, при этом волноводный резонатор выполнен в виде прямоугольного волноводного резонатора, в котором возбуждены колебания типа H10n, n=1, 2, …, и в котором у каждой из его узких стенок установлена диэлектрическая вставка с тем же поперечным размером, что и у прямоугольного резонатора, ее продольный размер имеет величину , где L - длина резонатора в продольной плоскости, ε - диэлектрическая проницаемость материала каждой вставки.

Использование: для измерения параметров диэлектриков при нагреве. Сущность изобретения заключается том, что способ измерения параметров диэлектриков при нагреве в объемном резонаторе на фиксированной частоте включает возбуждение колебаний в резонаторе через расположенные в верхней торцевой стенке отверстия связи в охлаждаемой части резонатора, настройку резонатора в резонанс при нормальных условиях и при нагреве и измерение собственных параметров пустого резонатора, установку образца на подвижный нижний поршень, настройку резонатора в резонанс при нормальных условиях и при нагреве и измерение параметров резонатора с образцом, расчет температурных параметров диэлектриков сравнением собственных температурных параметров пустого резонатора и резонатора с образцом, отличающийся тем, что настройку в резонанс пустого резонатора и резонатора с образцом проводят перемещением верхней торцевой стенки резонатора с отверстиями связи при неизменном положении подвижного нижнего поршня.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности, к устройствам для контроля качества изоляции, характеризуемого ее пробивным напряжением, и может быть использовано в средствах для диагностики состояния изоляции асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Микропроцессорное устройство диагностики изоляции электродвигателя по ЭДС самоиндукции с функцией мегомметра содержит микроконтроллер 1, включающий широтно-импульсный модулятор (ШИМ) и аналоговый компаратор делитель напряжения 2, управляемый источник опорного напряжения 3, первый управляемый ключ 4, преобразователь интерфейсов USART/USB 5, источник постоянного напряжения 6, диагностируемую обмотку электродвигателя 7, второй ключ 8, образцовую индуктивность 9, полупроводниковый диод 10, конденсатор 11 и компьютер 12. Второй вывод источника постоянного напряжения 6 подключен к первым выводам диагностируемой обмотки электродвигателя 7 и образцовой индуктивности 9, вторые выводы последних соединяются со вторым выводом второго ключа 8, который может находиться либо в «нижнем» положении - подключается диагностируемая обмотка 7, либо в «верхнем» - включаются образцовая индуктивность 9 и анод полупроводникового диода 10, катод которого соединен с первой обкладкой конденсатора 11. Первый вывод второго ключа 8 подключен ко вторым выводам первого управляемого ключа 4 и делителя напряжения 2. Вывод управления первого управляемого ключа 4 подключен к микроконтроллеру 1, вход управления источника опорного напряжения 3 подключен в выходу ШИМ микроконтроллера 1, выход источника опорного напряжения 3 подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера 1, ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера 1 подключен средний вывод делителя напряжения 2, первый крайний вывод которого соединен с первыми выводами первого управляемого ключа 4 и источника постоянного напряжения 6, а также со второй обкладкой конденсатора 11. Контролируемое сопротивление изоляции подключается к обкладкам конденсатора 11. Модуль USART микроконтроллера 1 подключен к преобразователю интерфейсов USART/USB 5, который подключен к интерфейсу USB компьютера 12. Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, сводится к расширению его функциональных возможностей за счет организации измерения под управлением компьютера. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться в системах контроля и разбраковки электрических конденсаторов, в системах сбора данных с емкостных датчиков в технологических устройствах, а также в медицинской практике. Устройство измерения относительного отклонения величины емкости от номинала содержит микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами разряда и заряда измеряемой емкости и источник тока заряда. При этом последовательно с измеряемой емкостью включается дополнительная эталонная емкость, выводы которой через буферный усилитель подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя, а выводы измеряемой емкости подключаются к входам его опорного напряжения. Техническим результатом является обеспечение непосредственного измерения относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной и повышение точности измерения. 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.). Способ измерения электрической емкости основан на регистрации времени заряда t1 измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор R постоянного напряжения Е до момента достижения на измеряемом конденсаторе СХ заранее принятого порогового значения напряжения U0. Заменив измеряемый конденсатор СХ образцовым конденсатором СО с известной емкостью, измеряют время заряда образцового конденсатора t2, не меняя при этом значения сопротивления резистора R, напряжения зарядного источника Е и заранее принятого порогового значения напряжения U0 на конденсаторе. Измеряемую емкость вычисляют по формуле: где СО - емкость образцового конденсатора; t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью СХ до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках; t2 - время заряда конденсатора СО до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках. Технический результат заключается в повышении точности измерения электрической емкости. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке приборов, предназначенных для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров. Способ измерения электрической емкости заключается в регистрации времени заряда измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор постоянного напряжения до момента достижения на измеряемом конденсаторе заранее принятого порогового значения напряжения. При этом после подключения последовательно к измеряемому конденсатору образцового конденсатора с известной емкостью снова измеряют время заряда этих конденсаторов, не меняя при этом значения сопротивления резистора, напряжения зарядного источника и заранее принятого порогового значения напряжения на обкладках этих конденсаторов, и измеряемую емкость вычисляют по формуле где CO - емкость образцового конденсатора;t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью CX до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках;t2 - время заряда цепи из последовательно соединенных конденсаторов CX и CO до заранее принятого порогового значения напряжения на их обкладках. Техническим результатом является повышение точности измерения электрической емкости. 3 ил., 1 табл.

Наверх